基于功效系数法的海洋生态环境评价研究——以胶州湾海洋生态环境为例

王印红 魏 兰

(1.中国海洋大学 国际事务与公共管理学院，山东 青岛 266100；2.中国海洋大学 海洋发展研究院，山东 青岛 266100)

一、问题提出

自《联合国海洋法公约》通过后，愈来愈多国家认识到“向海而兴，背海则衰”，发展海洋事业成为广泛共识，进军海洋也是国家经济发展的必然选择。然而，随着人类对海洋资源的过度开发与利用，海洋资源衰竭、海域污染、典型生态系统被破坏、海洋气候变化等问题越来越严重。我国海洋生态环境问题的严重性同样引发了中共中央的高度重视和公众的强烈治理呼吁，为落实中央对于海洋生态环境保护的新要求，也为了与新修订的《环境保护法》等法律衔接，2016年11月7日十二届全国人大常委会第24次会议，修订了《海洋环境保护法》。

在管理走向科学化的今天，海洋生态环境保护必须有标准可依，才能执法必严。“没有评价，就没有管理”，海洋生态环境保护迫切需要一套比较科学的、可以达成共识的评价体系和评价模型，尽可能简化地认识海洋生态环境的基本状态。从治理的绩效而言，我国出台了生态红线制度，加大了海洋生态环境执法力度，实施了海湾整治项目等等，但政策的调整需要一套评价指标体系为依据和支撑。按照新公共管理理论，评估体系被认为是关系到政府治理水平和运作效率的核心制度安排。[1](P210-215)通过有效的绩效评估，可以改进海洋生态环境治理的组织机构的设置、运行机制、人员配备、管理方法等，从而使得海洋生态环境治理能力体系更加系统化、优质化。

通观发达海洋国家和地区对于海洋生态环境评价方法进行了不同程度的探索，所提出的评价指标与评价模型呈现多元化的发展态势。例如，美国环保局根据净水行动计划中关于沿岸水域状况综合报告的要求，[2]设计出沿岸海域状况综合评价方法。[3]该评价方法选取5类指标，即水质指数(WQI)、沉积物质量指数(SQI)、底栖指数(BI)、滨海湿地指数(CHI)以及鱼组织污染(FTCI)，按照海域的现状对这5类指标进行赋分(好=5，一般=3，差=1)，这5类指标的平均值即为评价海域的总状况分值。欧盟生态状况评价综合方法基于其水框架指令(WFD)及欧洲海洋战略(EMS)，[4]其下设的“生态状况工作组”于2003年提出了“生态状况评价综合方法”。[5]该评价方法选取3类质量要素对河口和沿岸海域的生态状况进行评价，并以未受干扰的水体状况参数值(原始状态)为评价参考基准。这3类质量要素分别是生物学质量要素、物理化学质量要素、水文形态学质量要素。[6]各个要素所占权重各不相同，主要以生物学质量要素为核心，其他两种为辅助性因子，且当生态状况处于中级以下级别中，物理化学质量要素和水文形态学质量要素不参与评价，即权重为零。目前，中国在海洋资源与生态环境质量评价方面，主要采用综合指数评价法(CIAM)。综合指数评价法包括四个评价模块：海水水质、营养水平、初级生产力水平和生物饵料丰度，总指数是各分指数的平均值。但此方法主要针对海洋渔业环境，对整个海洋生态环境评价的适用性及具体价值有待进一步考证。

海洋生态环境质量评价作为海洋治理制度设计前提条件，关系到海洋保护政策的执行与可操作性。2012年国家海洋局提出在渤海试点生态红线制度以来，人们对于海洋生态系统健康的重视程度日益凸显。制度的出台绝不仅仅依据民众的呼吁、媒体的压力和国外经验，特别是在自然科学与社会科学交叉的环境领域，制度的出台需要科学的度量。就目前而言，海洋生态环境数据信息公开度有限，海洋生态环境部分数据的不公开限制了公众对于海洋生态环境的认知与了解。海洋生态环境评价方法尚未达成共识,无疑是加大了海洋生态治理的难度，因此，学界、政府迫切需要加强协作，达成对海洋生态环境评价的方法研究的共识，才能善治海洋。

二、海洋生态环境质量评价方法评述

海洋生态环境质量评价是运用定量的方法，针对不同目的和要求对海洋生态环境相关要素进行设定，通过评价和预测为海洋环境治理提供科学依据。目前，海洋生态环境评价方法主要可分为指数法、聚类分析法和海洋健康指数法。

(一)基于指数法的海洋生态环境评价

指数法通常表现为污染实际测量浓度与该污染物标准值之比得出的无量纲值，即以环境中污染物浓度超过标准值的倍数来表示污染严重程度，以方便针对时间和地点的不同而进行比较。伴随着人们对于海洋污染情况的关注，海洋环境污染成为质量评价中的重要部分。学者雷富、[7]何雪琴、[8]蔡清海等[9]利用水质检测资料，运用指数法分别对广西、海南、福建的部分港湾进行污染指数计算，以此评价海域污染状态。该方法用一个数字指标为界限, 界限两边分为不同的等级，易导致使评价结果失真。[10]除上述提出的以污染因子为凭借的内梅罗指数法以外，基于生物标志物指数法的海洋生态环境评价方法也较为常见。生物标志物被认为对于化学污染物具有“早期预警”功能。意大利东皮埃蒙特大学环境与生命科学系的Dagnino等构建健康状态指数HIS (health status index)，[11]为评价海洋生态环境与评估有害物质风险提供有力工具。法国海洋开发研究院的Beliaeff和Burgeot在2002年构建了综合生物标志物响应指数IBR (integrated biomarker response index)，将其用于波罗的海和塞纳河口区域的海洋环境质量评价。[12]德国阿尔弗莱德-威根纳极地和海洋研究所的Broeg K等构建了生物效应评价指数BAI (bioeffect assessment index)，通过综合表征生物总体健康的生物标志物响应状态，将滨海区域的复合污染程度划分为4个等级。[13]纵观相关研究可以发现，以综合生物标志物响应指数法来评价海洋环境是丰富海洋监测方法的一种有益尝试，并可作为环境评估的早期筛选工具或作为环境评估中的一个参数。[14]但生物标志物指数方法尚处于发展阶段，应进一步通过实验室和野外研究加以验证并逐渐完善。生物评价方法本身尚属半定量方法，在海洋环境评价中除应注重生物方法和化学方法的结合以外，指数间的联合使用和对比对提高评价结果的可靠性和可信度也十分必要。[15]

(二)基于聚类分析法的海洋生态环境评价

影响海洋环境的因素错综复杂，常见的指数法受限于所研究对象精确度，易导致评价结果的片面性。聚类分析法依据事物特性，按照一定标准根据其相似性进行归类，使同类事物高度共质，不同类事物高度异质。常见的聚类分析法包括模糊聚类法、灰色聚类法等。学者刘加伶建构海洋环境质量评价的灰色聚类模型，利用模型对大连海湾进行评价，评价结果与实际结果吻合，证明此方法的可行性。[16]此外，除对黄海、渤海等常规海域进行评价研究。[17]部分学者还采用聚类分析法对赤潮等海洋灾害进行研究，[18]以及将其运用于海洋环境污染监测中，为监测站位的调整和重新布设提供科学依据。[19]聚类方法的运用，可以为更深入地了解和研究海洋提供数据支持，为保护海洋环境，为海洋的可持续性发展提供科学决策参考依据。[20]在聚类分析法应用过程中，尽管被测试数据间显示有密切关系，可实际上无任何内在联系，此时，如果仅根据相似系数得出聚类分析的结果，显然是不适当的，但是，聚类分析模型本身却无法识别这类错误。此外，海洋生态环境指标类型繁杂、样本量大，要获得聚类分析结论有一定困难。并且，聚类分析通常依赖于指数法，且不能对海洋环境的污染状况进行定量分析，因而此种方法通常较少被学者们采用。

(三)基于海洋健康指数的海洋生态环境评价

2012年初保护国际基金会在全球首次发布海洋健康指数。2012年6月，海洋健康指数正式在中国发布。该指数旨在通过数据的整合进行科学分析，通过综合各方面的打分形式，来评价海洋的健康情况，通过发现薄弱环节以此为改善海洋环境提供指引。海洋健康指数从食物供给(FP)、传统渔民捕捞机会(AO)、自然产品(NP)、碳汇(CS)、海岸带生计与经济(CLE)、旅游与休闲(TR)、清洁水域(CW)、生物多样性(BD)、海洋归属感(SP)、海岸防护(CP)10个方面来评估海洋生产力和健康状况，为海洋评估工作提供了全新视野。目前，保护国际基金会联合当地合作伙伴，已在全球超过15个国家和地区开展适用性研究。我国一些学者利用海洋健康指数进行了个案研究。隋春晨等运用海洋健康指数对青岛胶州湾健康状况进行研究，认为胶州湾对环境保护的重视和投入不足，今后应在保持经济平稳发展的基础上，加强对其生态环境的管理和保护。[21]杨洋基于OHI的评估方法，根据中国区的实际和数据获取情况，除了NP和CP沿用OHI模型外，对其余八个指标进行了修改和重新构建，建立了中国海洋健康指数(OHI-China)评价方法体系，并将其应用于浙江省和温州市，进行案例研究。[22]研究表明，海洋健康指数在中国的海洋生态系统健康评价中并不能完全套用，需进行相应的修改和完善。[23]

综上所述，在海洋环境评价方面学者们开展了多种方法的探索，但是未有一个适用性强且认可度高的评估模型，评价指标体系缺乏共识，这无疑是增大了我国海洋环境治理的难度。海洋治理需要对海洋生态环境各项指标“度”的把握，而“度”则迫切要求对海洋生态环境进行定量化。构建一个指标完善且适用性强的评价模型成为我国海洋生态环境管理的必然要求。

三、海洋生态环境评价模型构建

(一)功效系数法及其适用性

功效系数法又被称作为功效函数法，它根据多目标规划的原理，是一种将多种参数指标一并考虑的综合评价方法，每种指标设置满意值和不允许值，即该指标的上限值与下限值，再通过各指标的权重分配，得出各项分数，最终通过加权平均的方式，汇总各项得分，形成综合评价分数。

功效系数法是一种定量评估多指标影响的综合分析方法，[24]广泛应用于多目标定量分析中。海洋生态环境涵盖环境、生态等多重指标，把功效系数法应用于海洋，与海洋生态环境相关指标相结合构建评价模型，是对其适用范围的进一步扩展。功效系数法将不同量纲的各指标实际值转化为无量纲的功效系数，再根据各指标的权重关系得到综合评价值，以综合评价值作为综合评价的依据。[25]该评价模型的构建可以帮助人们更好地了解海洋生态环境状况，及时发现潜在问题，以此进行防范海洋环境风险，达到对海洋生态环境状况的准确判断。海洋生态环境具有复杂性的特征，利用功效系数法多指标的方式可从不同角度进行分析判断，减少单一评价方式造成的偏差。功效系数法通过设置满意值与不允许值，判断指标所属区间位置，满足了海洋生态环境指标受季节差异影响较大，无法采用单一评价标准的特点。此外，功效系数法作为乘法函数，避免了加法函数中线性补偿问题，有助于及时发现潜在问题，防止海洋生态环境问题影响范围扩大。

(二)评价模型建立

1、构建指标体系

海洋生态环境评价指标遵循科学性、全面性、代表性、可操作性原则，综合前人研究的一些测评指标体系，并参照海洋生态环境的相关特征，综合考虑了海洋水文、海洋气象、海洋生物、海洋化学、海洋底质、海洋地球物理、海洋地形等我国针对海洋生态环境的相关数据监测指标情况，参考《中国海洋环境质量公报》数据，最终从海洋环境状况、海洋生态状况以及海洋主要污染物状况三个方面选取出20个指标，以此作为海洋生态环境评价的指标。

(1)海洋环境状况

海洋环境状况分为海水和沉积物两个评价部分。

海水质量是评价海水的重要方面。水质等级的比例与海洋生态系统的平衡息息相关。海洋沉积物中，作为影响海洋环境状况、海洋污染物的主要来源之一的重金属类，含量多少直接危害海洋生物的生存及其利用价值。金属元素流入海中，发生化学反应，依赖强电解质作用，与海中悬浮颗粒物相结合，吸附或沉淀，重金属成分延伸至海底。在科研过程中，学者们常将沉积物中的重金属含量作为客观反映海域重金属污染程度的介质的代表。如铜、锌会受到径流、排污的影响。沉积物里金属元素评价参数一般是以铜Cu、铅Pb、锌Zn、镉Cd、汞Hg、砷As为主。除此之外，油类化合物、硫化物以及有机碳的含量对于海洋水体受污染程度有着重要影响，遂选取这几项作为评价指标。

(2)海洋生态状况

海洋生态环境的污染使海洋生物多样性面临威胁，海洋物种生境的破坏也直接或间接地加剧了海洋环境变异，诱发海洋富营养化等现象产生。海洋生物状态的波动能够在某种程度衡量出海洋生态环境变化情况。浮游植物不但能够反映海水营养化程度，也是海洋初级生产力的重要指标之一。当海水污染，水体透明度降低，浮游植物生长受到限制，该水域生态链遭到破坏，进而影响到海洋生态环境质量。浮游动物在海水中分布较为广泛，是连接浮游植物和大型浮游动物的食物链中关键一环，它对海洋生态环境保持平衡起着促进作用，对海洋生态系统中的良性运行也有着重要作用。大型底栖生物是海洋生态系统中的重要生物群落，与浮游生物相比，具有相对稳定性的特点，不易受到短暂性的影响，能够更加准确地反映出海洋生态环境的变化。对于底栖生物群落的变化状况通常用多样性指数来表示，除此之外，由于多样性指数是关于物种的多样性测定，它还被用于海洋底质环境的监测。因此，选取多样性指数作为一项衡量大型底栖生物的指标。

(3)海洋主要污染物状况

污染因子标准指数是指某污染因子的实测浓度与该海区所规定的标准浓度的比值，当指数大于1时，说明这一污染因子存在超标情况。氮、磷等含量多少标志着一定程度海洋的有机物污染程度以及营养水平。无机氮是指未与碳结合的含氮物质的总称。科学家们认为，连续的降雨使淡水中无机氮含量升高，促使流域入海后给海域带来大量无机氮成分，进而诱发赤潮现象发生。同时，它是海洋污染中的污染物质的主要成分之一。磷酸盐是磷在海水中的基本存在形式，可以溶于海水中，也可吸附在颗粒物上，还可存在于海洋生物体内。它是海洋生态环境评估的重要成分之一。此外，石油类作为海洋污染物主要来源之一为其作为衡量海洋主要污染物状况的重要指标提供依据。并且，无机氮、活性磷酸盐和石油类是海洋主要污染物，因此用这三项作为海洋主要污染物状况的衡量。

构建的评价指标体系如下(见表1)：

表1 海洋生态环境指标体系

2、评价模型计算

功效系数表示的是评价指标的实际值与该指标变动范围的相对位置。在运用功效系数法对海洋生态环境进行评价时，需先进行功效系数的计算，及通过功效系数对各项指标的度量单位进行无量纲转化，之后通过加权平均的方法，将各项指标的功效系数相加求平均数，得出总功效系数，最终通过权重分配得出综合评价数值。

(1)将所需的各项评价指标表示为：xi(i=1,2,3,…,n)。

(3)将各项评价指标进行无量纲化处理，得出功效系数的计算公式：

式中，fi区间范围为[0,1]。

(4)将各项所得的功效系数通过加权平均的方法得出总体的功效系数值：

我们将100分设定为满分，将评价分数的基本分设定为60分，那么另外的40分则根据各项的指标大小进行确定。计算公式为：

di=Fi×40+60

式中，di为各项评价指标的功效系数所得分数。40和60为规定系数，即认为达到及格水平为60分。

(5)设置指标权重，根据指标权重，将各项指标的功效系数值进行整合即可得到总评价分数。计算测评对象的总功效系数值，可采用算数平均法计算，亦可采用几何平均法计算，然后根据功效系数值的大小排列其优劣顺序。因几何平均数具有受极端值的影响较算数平均数小的特点，遂在后文总功效系数值的计算过程中采取几何平均法进行评价值计算。

式中，wi(i=1,2,3,…,n)为第i项指标的权重值。

总功效系数值是反映海洋生态环境的一个综合指数，其数值越大越好，满分为100分。

四、海洋生态环境状况评价：以胶州湾截面数据为例

(一)胶州湾概况

胶州湾位于中国黄海中部、胶东半岛南岸、山东省青岛市境内的半封闭海湾。它的面积约为500平方公里，呈扇形，是我国较大的优良港湾。随着青岛海洋经济快速发展，胶州湾海洋生态环境亟需重视。2014年青岛市政府出台《胶州湾保护条例》，对其实施保护。2016年8月，国家海洋局印发《关于批准建立大连仙浴湾等9处国家级海洋公园的通知》，青岛胶州湾国家级海洋公园获批，[26]这标志着青岛胶州湾国家级海洋公园的正式建立，它也是全国最大的半封闭海湾国家级海洋公园。胶州湾国家级海洋公园的建立，进一步完善了青岛市海洋保护区体系，对促进海洋生态保护和资源合理利用具有重要作用，对沿海地区社会经济的可持续发展和海洋生态文明建设起到积极推动作用。保护胶州湾海洋生态环境已成为青岛市打造生态湾区、建设“海湾型大都市”的首要工作。

胶州湾生态环境演变过程是我国东部沿海地区的一个缩影，近几年，跨海大桥等项目建设以及浒苔产生都在一定程度使得纳潮能力逐步下降，水动力条件减弱，且海水富营养化问题严重。[27]胶州湾海洋环境治理任务艰巨，保护胶州湾海洋生态环境刻不容缓。在我国近海海洋生态环境可持续发展研究中，胶州湾长期的监测与研究历史，大量的数据资料积累和系统研究，使其成为我国温带海域近海生态系统研究的一个“模式海湾”，成为我国温带海域近海生态系统理论与方法研究的一个理想场所，这也是测试本文构建的评价指标体系和模型的原因之所在。

(二)评价模型的应用

根据《青岛市海洋环境公报》《中国海洋生态环境状况公报》2014—2018年所公布的数据，[28][29]运用以上评价模型对胶州湾进行个案研究。由于不同季节海洋环境质量差异巨大，后文选取胶州湾夏季(8月)海洋生态环境监测数据进行测算。

1、设定满意值与不允许值

边界值设定以《中华人民共和国海水水质标准 (GB 3097—1997)》《中华人民共和国海洋沉积物质量(GB 18668-2002)》以及《近岸海域海洋生物多样性评价技术指南(HY/T 215—2017)》等国家颁布的相关政策文件以及海洋行业标准为基础，确定正向指标与负向指标，利用《海洋环境公报》中公布数据，截取2013年至2017年五年时间序列，将历史时期水平作为评价指标的参考值，设置满意值与不允许值，即历史时期最优水平作为满意值，最劣水平作为不允许值。

2、运用功效系数法进行测算(见表2)

表2 功效系数法测算胶州湾海洋生态环境

3、依据指标权重得出功效系数法评估结果

胶州湾海洋生态环境指标权重设定基于熵值法进行计算。熵值法的基本原理是依据指标变异程度差异进行度量，判断指标离散程度，客观赋权。在信息论中，熵主要用于度量系统状态的不确定性，信息量越大则不确定性越小，熵越小，效用价值越大。对于评价指标，若指标值变异程度大，则该指标提供的信息量大，熵值小，因此对应的权重大(见表3)。

表3 胶州湾海洋生态环境指标权重

最终得出D2017=77.28，D2016=81.29，D2015=78.53，D2014=83.28。

结果显示，夏季胶州湾海洋生态环境状况总体状况并不乐观。2017年与2016年相较海洋生态环境质量水平有较大幅度的下降。二级指标方面，海水状况与海洋沉积物方面质量降低较为明显。在海洋生态方面，生物多样性情况有所改善，生物多样性指数较高，海洋生物种类组成和群落结构基本保持稳定。在海洋主要污染物方面，虽然无机氮与石油类浓度均呈下降趋势，但活性磷酸盐超标严重，夏季胶州湾海湾受活性磷酸盐污染，海洋生态环境质量水平劣于2016年夏季。此外活性磷酸盐等营养物质对于海水富营养化程度有着助推作用，易诱发赤潮现象产生。原因在于，胶州湾入海河流众多，入海河流携带的污染物是评分降低到主要原因之一。2017年青岛夏天接连遭遇浒苔侵袭，给滩涂养殖、池塘养殖、浅海养殖、工厂化养殖等造成了危害，也给渔民带来了经济损失，破坏海洋生态系统，严重威胁旅游业发展，胶州湾保护和水质改善的任务仍然十分艰巨。[27]

五、结论

海洋生态环境评价的目的是系统、科学地认知一定区域内海洋生态环境状况，为海洋治理提供政策依据和数据支持。本文使用功效系数方法，从海洋环境、海洋生态以及海洋污染三方面来构建了海洋生态环境评价体系和评价模型，利用《青岛市海洋环境公报》的数据对胶州湾海洋生态环境进行质量评价，并验证评价模型的适用性。评价结果表明，胶州湾夏季海洋生态环境状况并不容乐观，尤其是污染物排放方面需要下大气力进行重点管控。

本文构建的评价体系和评价模型仅仅选取了胶州湾海洋生态环境的四年截面数据进行了测算，由于数据可得性以及局限在一个海湾之内，其说服力还有待于其后续的海洋区域的拓展研究以及时间序列的进一步证实。